Özet

Binaların enerji performansının artırılması ve fosil yakıt tüketiminin azaltılmasında, yenilebilir bir enerji kaynağı olan güneş enerjisi önemli yer tutabilme kapasitesine sahiptir. Bu sistemler;

a) Parabolik veya borulu tip güneş kolektörler

b) Isıl depolama

c) Absorbsiyonlu soğutma sistemi

d) Kışın ısıtma desteği için kazan

e) Bina yapısında ısıl depolama yapabilen gömülü düşük sıcaklıklı ısıtma ve yüksek sıcaklıklı soğutma sistemleridir. Bu bağlamda dünyanın en büyük hava alanlarından birisi olan Bangkok Havaalanı?nın, döşemeden soğutulduğunu belirtmekte yarar bulunmaktadır. Burada bu sistemler hakkında bilgi verilmiştir.

1.    Giriş

Yukarıda belirtildiği üzere ülkemiz için güneş önemli bir enerji kaynağı durumundadır. Güneş enerjisi, güneşten gelen ve dünya atmosferinin dışında şiddeti 1367 W/m² olarak sabit, yeryüzünde ise 0-1100 W/m² arasında değişen temiz, atıksız, tükenmez bir enerji kaynağıdır. Her yıl yaklaşık 5.4 exajoule?lük güneş enerjisi dünyaya ulaşmaktadır. Bu enerjinin üçte biri uzaya yansımakta, yüzde18'i ise atmosferde kalmaktadır. Atmosferde kalan enerjinin büyük bir bölümü rüzgar enerjisine dönüşmektedir. Geriye kalan enerji miktarı yaklaşık olarak 2.5 exajoule'dür. Bu değer, bir yılda dünyada tüketilen enerjinin yaklaşık 5000 katına eşittir. Gelişen teknolojilere paralel olarak binalarda da güneşten yaygın biçimde yararlanmanın yakın gelecekte olanaklı olacağı görülmektedir. Öte yandan soğutma ihtiyacı yazın ve güneşin etkili olduğu dönemlerde artmaktadır.

2. Türkiye'de Güneşlenme Süreleri

Tablo 1. Türkiye'nin aylık ortalama güneş enerjisi potansiyeli [1]

Güneş enerjisi potansiyeli ve güneşlenme süresi değerlerinin bölgelere göre dağılımı ise Tablo 2'de verilmiştir [1]. Görüldüğü üzere Türkiye'nin en fazla güneş ışınımı alan bölgesi Güney Doğu Anadolu Bölgesi olup, onu Akdeniz Bölgesi izlemektedir.

Tablo 2. Türkiye'nin yıllık toplam güneş enerjisi potansiyelinin

bölgelere göre dağılımı [2].

3. Güneş Enerjisinden Yararlanma

Güneş enerjisi sistemlerinde amaç, güneş ışınlarını (radyasyonunu) toplamak ve kullanılabilir enerjiye dönüştürmektir. Sistem performansı güneş ışınım (radyasyon) miktarı, çevre sıcaklığı, ihtiyaç duyulan enerjinin cinsi ve özelliği ile, sistemlerin ısıl karakteristikleri gibi etkenlere bağlıdır. Güneşin temiz ve neredeyse sınırsız enerjisinin kullanmanın yöntemleri edilgen (pasif) ve etken (aktif) yararlanma şeklinde incelenebilir. Edilgen yararlanma mimaride alınan önlemler ile olanaklıdır Örneğin saydam yüzeyler, Trombe duvarı, güneş bacaları ve kış bahçesi, bina kütlesinde ısıl depolama uygulamaları örnek olarak verilebilir. Etken yararlanma ise güneş pilleri (fotovoltaik paneller), güneş enerjisi elektrik santralleri, güneş kolektörleri (toplaçları) vasıtasıyla olur. Etken yararlanmada güneş enerjisi toplayıcı, depolayıcı, dağıtıcı elemanlardan oluşan ısıtma, iklimlendirme veya elektriksel dönüşüm sistemlerinin kullanımı söz konusudur.

Burada bahsedilen düşük sıcaklıklı ısıtmada su gidiş sıcaklığı 45-50 ºC, yüksek sıcaklıklı soğutmada binanın bulunduğu yerin çiğ noktasına bağlı olarak 16-19 ºC civarındadır. Yukarıda belirtildiği üzere bu sistemlerde bina gövdesinde ısıl depolama yapılmaktadır. Isıl kütle, bir cismin ısı depolama yeteneğini ve opak bir bina gövdesi elemanının ısı geçişini ve sıcaklık değişmesini yavaşlatma ve geciktirme yeteneğini ifade eder. Eğer bu geciktirme etkisi, iyi bir pencere tasarımı, etkili bir güneş gölgeleme, doğru bir havalandırma stratejisi ve yüksek ısı depolama kapasitesinde bir iç mekan bölümü ile birleştirilirse, dış sıcaklıklardaki değişimler karşısında iç sıcaklıkların az değişmesine yardım eder. Isıl kütlenin artırılması binanın enerji tüketimini olumlu yönde etkiler. Nihayet ısıl kütlenin artırılması ısıtma ve soğutma talebini pik dışı zamanlara kaydırır.

Burada yazın (güneşin maksimum düzeyde olduğu zamanlarda) absorbsiyonlu (ABS) chiller ile soğutma yapılmaktadır. ABS chillerler, markadan markaya değişmekle birlikte 90/85ºC, 85/80ºC sıcaklık rejimlerinde çalışmakta ve cihazın kapasitesine göre belirli bir debide su istemektedir. Bunun altındaki sıcaklıklarda düzensizlikler ve kristalleşme oluşmaktadır. Bunu sağlayabilecek güneş enerjisi sistemleri, borulu düz kolektörler veya daha iyisi güneşi takip edebilen parabolik toplayıcılardır. Eğer yeterli güneş olmazsa (burada soğutma yükü de bir miktar düşecektir) bir kazan desteği ve depolama ile yukarıda belirtilen sıcaklıkta su sağlanabilir. Kışın ise güneş radyasyonu azalmakla birlikte sistemin ihtiyaç duyduğu su sıcaklığı 45-50 ⁰C'ye düşmektedir ki yılın büyük bir bölümünde çoğu yerde sağlanabilir.

4. Bina İçi Sistemler

Yüksek sıcaklıklı soğutma (örneğin tavandan chilled beam gibi sistemlerle soğutma, yer değiştirmeli havalandırma, döşemeden, tavandan veya duvardan soğutma TABS) güneş enerjisi ile kullanılabilecek sistemlerdir. Bu sistemler konutlar, ofis binaları, eğitim tesisleri, spor tesisleri, hava alanları gibi yerlerde başarı ile uygulanabilmektedir.

5. Uygulama Örneği

M+W Zander Ofis Binası, Stutgart, Almanya: M+W kompleksi dört binanın bulunduğu 10.000 m²lik bir alana sahiptir; alışveriş çarşısı, "Kule" adı verilen, yuvarlak biçimli bir ofis binası, eski ve yeni kısımları bağlayan bir bağlantı binası ve yeni bir ek ofis binasından oluşmaktadır. Küresel bina kavramı, kış bahçesinden pasif güneş enerjisi, gün ışığından yarar- lanma gibi ileri kavramları kullanmakta olup, Isıl Yönden Etkin Bina Sistemi (TABS)  ile birlikte bir taze hava sistemi, 6500 m²lik beş katlı ek binaya yerleştirilmiştir. İnsanların binada bulunduğu dönemler 8.00?den 17.00'ye kadardır.

Bu kompleksin yapımındaki amaç, modern, ekolojik ve ekonomik konforlu bir iç mahale sahip bir bina inşa edilmesidir. Soğutma ve iklimlendirme yüksek düzeyde elektronik içeren ofislere ve yüksek soğutma yüklerine göre tasarlanmıştır.

Tablo 3. TABS'lar için tasarım verileri [2].

Havalandırma  sistemi

TABS, süpürgelik birimlerinin (cepheye yakın) ve döşemeye yerleştirilen birimlerin verdiği yüzde 100 taze havalı bir iklimlendirme sistemi ile birlikte çalışmaktadır. Sistem, oda nemliliklerini kontrol etmekte ve pik yüklerin belirli bir yüzdesini (yüzde 10 soğutma / yüzde 18 ısıtma) karşılamaktadır. Bağımsız olarak kontrol edilebilen bu birimler, bünyede sıcak havayla ısıtma amacına yönelik olarak bir sulu ısı eşanjörüne sahiptir. Ofis binasına dört adet hava hazırlama birimi (her biri 8000 m³/h) yerleştirilmiştir. 45 m³/kişi'ye  ve 1.57 ACH'ye karşı gelmek üzere 80~100 m³/h/kişi taze hava sağlamaktadır. Hava hızı, giriş (hava) birimlerinden 0.6 metre uzaklıkta 0.11 m/s değerinde olup, bağıl nem yüzde 45~60 arasında değişmektedir (pencereler kapalı iken).

Kontrol sistemi

Etkinleştirilmiş döşeme betonundaki ortalama su sıcaklığı, yıl boyunca gerçekleşen dış sıcaklığa göre kontrol edilmektedir. Soğutmada besleme suyunun sıcaklığı 19~23°C arasında değişmektedir. Etkinleştirilmiş döşeme betonlarında ortalama su sıcaklığı yıl boyunca dış sıcaklığa göre kontrol edilir. Gerçek su sıcaklığı yazın 19~23°C, kışın 22~26°C değişmektedir. Binada TABS yüksek ısıl kapasiteli bir perde olarak işlev görmektedir. Isı taşıyan akışkan yazın sadece gece saatlerinde (18.00~22.00) ve kesikli bir işletme biçiminde çalışmaktadır. Gece saatlerinde güç tüketimi fazla olduğundan, bu durumda daha ucuz gece tarifesinin avantajından da yararlanılır. TABS ile mahal arasındaki ısı değişimi radyasyon yoluyla (%65) ve kondüksiyon yoluyla (%35) gerçekleşmektedir. Isı taşıyan akışkan, 300 mm?lik yük taşıyan döşeme betonuna gömülü dolambaçlı borular arasında sirküle etmektedir.

Tasarımdaki özel sınır koşulları yatırım maliyetini artırmıştır. Ağırlık yükleri ön gerilmeli döşeme betonunu 20 mm'ye kadar eğilmeye maruz bırakabilmektedir. Yüksek mekanik yükler yüksek dayanımı gerektirmektedir. Tasarımcılar uzun dönemli dayanımı sağlamak üzere çapraz bağlı polietilen malzemeyi tercih etmişlerdir. Döşeme betonları ağır biçimde güçlendirilmiş ve borular gövdenin alt yüzünden 120 mm ile 180 mm olmak üzere düşey konumda yerleştirilmişledir. Çalışma saatleri içerisinde işlevsel sıcaklıklar yazın 22~24°C ve kışın 21~ 23°C arasında tutulmuştur.  Mahallerde günlük sıcaklık oynamaları 0.2 K/h (en çok 0.4 K/h) düzeyindedir. Yazın kuzey/güney ofislerinde sıcaklık 2 K artarak farklılık göstermiştir.

6. Maliyete İlişkin Değerlendirme

Soğutmanın ağırlıklı olduğu bölgelerde güneş enerjisi ve düşük sıcaklıklı ısıtma ve yüksek sıcaklıklı soğutma sistemleri ile işletmedeki enerji maliyetleri klasik sistemlere göre yüzde 70-80 düzeyinde azalmakta ve bu, binaların ömrü boyunca çok önemli düzeylere gelmektedir. Ayrıca teknolojik gelişimin gerekliliği ve çevrenin faktörleri de dikkate alındığında bina kütlesinde enerji depolayarak (gece ucuz elektrik tarifelerinden de yararlanarak) bu sistemlerin ekonomik bir yol olduğu (ilk yatırım maliyetleri klasik sistemlere göre daha pahalı olsa da) değerlendirilmektedir. Öte yandan bu sistemlerde bina içindeki ısıl konfor düzeyi yüksek olup bu durum personel memmuniyetini ve iş verimini artırmaktadır.

[1]  Özbalta T., Çakmanus, İ., 2009, "Binalarda Sürdürülebilirlik: Ömür Boyu Maliyete İlişkin Yaklaşımlar", Doğa Sektörel Yayın Grubu, İstanbul.

[2]  Babiak J., 2009, "Düşük Sıcaklıklı Isıtma, Yüksek Sıcaklıklı Isıtma", Rehva Guidebook. TTMD Yayınları No: 24, İstanbul.

İbrahim Çakmanus / Çakmanus Mühendislik & Enerji